W przełomowym badaniu z wykorzystaniem wiodących na świecie superkomputerów naukowcy znacznie poszerzyli naszą wiedzę czarna dziura dyski akrecyjne.
Symulacje tych dysków, niezbędnych do pośredniej obserwacji czarnych dziur, przeprowadzono z niespotykaną dotąd rozdzielczością, ujawniając nowe spojrzenie na ich turbulencje i dominującą rolę powolnych fal magnetosonicznych w nagrzewaniu jonów. Odkrycia te otwierają drogę do lepszych interpretacji danych astronomicznych, szczególnie z Teleskopu Horyzontu Zdarzeń.
Przełom w badaniach nad czarnymi dziurami
Naukowcy z Uniwersytetów Tohoku i Utsunomiya dokonali przełomu w zrozumieniu złożonej natury turbulencji w strukturach zwanych „dyskami akrecyjnymi” otaczających czarne dziury, wykorzystując najnowocześniejsze superkomputery do przeprowadzenia dotychczasowych symulacji w najwyższej rozdzielczości. Dysk akrecyjny, jak sama nazwa wskazuje, to gaz w kształcie dysku, który wiruje spiralnie do wewnątrz, w kierunku centralnej czarnej dziury.
Rola dysków akrecyjnych w obserwacjach czarnych dziur
Istnieje duże zainteresowanie badaniem wyjątkowych i ekstremalnych właściwości czarnych dziur. Czarne dziury nie pozwalają jednak na ucieczkę światła i dlatego nie można ich bezpośrednio dostrzec przez teleskopy. Aby sondować czarne dziury i je badać, zamiast tego przyglądamy się temu, jak wpływają one na swoje otoczenie. Dyski akrecyjne to jeden ze sposobów pośredniej obserwacji skutków działania czarnych dziur, ponieważ emitują one promieniowanie elektromagnetyczne widoczne przez teleskopy.
„Dokładne symulowanie zachowania dysków akrecyjnych znacznie pogłębia naszą wiedzę na temat zjawisk fizycznych wokół czarnych dziur” – wyjaśnia Yohei Kawazura. „Dostarcza kluczowych informacji do interpretacji danych obserwacyjnych z Teleskopu Horyzontu Zdarzeń”.
Naukowcy wykorzystali superkomputery, takie jak „Fugaku” firmy RIKEN (najszybszy komputer na świecie do 2022 r.) i „ATERUI II” firmy NAOJ, aby przeprowadzić symulacje o niespotykanie wysokiej rozdzielczości. Chociaż istniały już wcześniejsze symulacje numeryczne dysków akrecyjnych, w żadnej z nich nie zaobserwowano zakresu inercyjnego ze względu na brak zasobów obliczeniowych. Badanie to było pierwszym, w którym pomyślnie odtworzono „zakres bezwładności” łączący duże i małe wiry w turbulencji dysku akrecyjnego.
Spostrzeżenia z symulacji w wysokiej rozdzielczości
Odkryto również, że w tym zakresie dominują „powolne fale magnetosoniczne”. To odkrycie wyjaśnia, dlaczego jony są selektywnie podgrzewane w dyskach akrecyjnych. Burzliwe pola elektromagnetyczne w dyskach akrecyjnych oddziałują z naładowanymi cząstkami, potencjalnie przyspieszając niektóre do niezwykle wysokich energii.
W magnetohydronamice podstawowe typy fal stanowią fale magnetosoniczne (wolne i szybkie) oraz fale Alfvéna. Stwierdzono, że w zakresie bezwładności dominują powolne fale magnetosoniczne, niosące około dwukrotnie większą energię niż fale Alfvéna. Badania podkreślają także zasadniczą różnicę pomiędzy turbulencją dysku akrecyjnego a turbulencją wiatru słonecznego, w której dominują fale Alfvéna.
Oczekuje się, że postęp ten poprawi fizyczną interpretację danych obserwacyjnych z radioteleskopów skupionych na obszarach w pobliżu czarnych dziur.
Badanie zostało opublikowane w Postęp nauki 28 sierpnia 2024 r.
Odniesienie: „Inertial range of magnetorotational turbulence” Yohei Kawazura i Shigeo S. Kimura, 28 sierpnia 2024 r., Postęp nauki.
DOI: 10.1126/sciadv.adp4965
